|
Донбаська державна академія
будівництва і архітектури
Гвоздецький Олександр Вадимович
УДК 697.34
ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ГРУПИ ОПАЛЮВАЛЬНИХ КОТЕЛЕНЬ З РІЗНИМИ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Макіївка –1999
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Редько Олександр Федорович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедри.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Строй Анатолій Федорович, Полтавський державний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, завідувач кафедри; доктор технічних наук, професор
Губар Валентин Федорович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри.
Провідна установа: Харківський політехнічний університет, Міністерство освіти України (м. Харків).
Захист дисертації відбудеться “29” червня 1999 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 339023, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, Зал засідань (1 учбовий корпус).
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Донбаської державної академії будівництва та архітектури.
Автореферат розісланий “28” травня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., доцент А.М. ЮговАктуальність роботи. На сучасний момент для задоволення потреб комунально-побутових споживачів населених пунктів України виробляється більш ніж 250 млн. ГДж теплової енергії на рік. Її виробляють біля 4 тис. опалювальних котелень, загальна теплопродуктивність яких складає 50000 МВт. Таким чином, підвищення економічної ефективності опалювальних систем (ОС) є важливим та пріоритетним завданням, а метою його розв’язання буде економія паливно-енергетичних ресурсів. До складу параметрів управління цією системою будуть входити величини теплових навантажень на окремі котли і котельні та фактори, що визначають схему транспортування теплоносія від джерела теплоти (котельної) до споживачів. Розглядаються два варінта цієї схеми.
Приймаючи це до уваги, розв’язання задачі оптимального управління складною ОС у режимі реального часу вимагає оперативної обробки великої інформації про поточний стан цієї системи та навколишнього середовища та може бути реалізовано тільки з використанням комп’ютерних технологій.
У дисертаційній роботі пропонуються підходи до розв’язання задачі вибору комфортного теплового навантаження (з урахуванням теплопостачання та гарячого водопостачання), оптимального розподілу цього навантаження поміж опалювальними котельнями та окремими котлами. Ці задачі ставляться та реалізуються як задачі нелінійного математичного програмування (НМП). Цільові функції охоплюють втрати теплоти з вихідними газами, на роботу дуттьових вентиляторів, на перекачування теплоносія через теплообмінні апарати котлів та його транспорт через магістральні мережі.
Безпосереднє управління ОС відбувається на базі конкретних рішень, отриманих з використанням комп’ютерної техніки або спеціальних технологічних карт управління, розроблених шляхом попереднього великого чисельного експерименту.
Усе доведене вище визначає актуальність роботи, яка спрямована не економію паливно-енергетичних ресурсів та поліпшення екологічної ситуації за рахунок оптимального управління ОС.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з наказом Мін. Освіти України про затвердження координаційних планів науково-дослідних робіт на 1997 – 1998 р.р., наказ № 37 від 13.02.1997 р. та згідно з держбюджетною темою № 0045 “Енерго- та ресурсозберігаючі технології та раціональне використання палива у будівельному виробництві” і відповідає основним напрямкам наукової роботи кафедри ТГВ ХДТУБіА.
Метою дослідження є зниження витрат паливно-енергетичних ресурсів у ОС шляхом оптимального центрального регулювання, яке охоплює:
- вибір раціонального теплового навантаження на опалювальні райони;
- оптимальний розподіл цього навантаження поміж опалювальними котельнями та окремими котлами з різними економічними характеристиками;
- вибір оптимальних розходів теплоносія у елементах ОС;
Задачі досліджень:
- формалізація та загальна математична постановка задачі оптимального управління ОС;
- декомпозиція загальної задачі оптимального управління та розробка структури локальних взаємопов’язаних оптимізаційних задач;
- розробка програмного експериментально-обчислювального комплексу (ПЕОК) для управління ОС у режимі реального часу та для складання пакету технологічних карт для аналогічного управління у відсутності комп’ютерного забезпечення;
- дослідження впливу геометричних та режимних характеристик ОС на результати рішення задачі оптимального управління нею.
Наукова новизна отриманих результатів:
- на засадах математичних методів обробки результатів
чисельного та натурного експериментів розроблено єдину математичну модель функціонування групи опалювальних котельних;
- формалізовано та поставлено як задачу НМП загальну оптимізаційну задачу раціонального управління групою опалювальних котелень;
- на засадах основних положень теорії складних систем здійснено декомпозицію загальної оптимізаційної задачі;
- отримані результати дослідів дозволили запропонувати нові підходи до управління складними ОС.
Практичне значення отриманих результатів:
- розроблено та апробовано ПЕОК для оптимального управління у режимі реального часу;
-розроблено та апробовано спрощений ПЕОК для складання технологічних карт для оптимального управління групою опалювальних котельних за відсутності комп’ютерного забезпечення.
Особистий внесок здобувача. Предметом захисту є створені особисто автором:
- математична модель ОС та ПЕОК для управління цією ОС;
- рекомендації щодо оптимального управління ОС у режимі реального часу.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на 52 та 53-й науково-технічній конференції ХДТУБіА (м. Харків, квітень 1997 та 1998 р.р.), а також 1-й Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії”, державний університет “Львівська політехніка” (м. Львів, червень 1998 р.).
Публікації. За темою дисертаційної роботи надруковано п’ять наукових робіт у фахових виданнях країни.
Розроблено алгоритми розв’язання задачі вибору оптимального навантаження на котельні агрегати.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти глав, висновків, списку використаних джерел з 62 найменувань та додатків на 2 сторінках. Робота вміщує 126 сторінок машинописного тексту, 24 рисунки, 8 таблиць, всього 158 сторінок.
Основний зміст роботи
У вступові обгрунтовано актуальність теми, доведені мета та основні завдання досліджень, охарактеризовані новизна, теоретична та практична цінність отриманих результатів, доведені дані про апробацію та публікацію основних наукових положень, які вміщує дисертація.
У першій главі розглянуті основні напрямки сучасних досліджень проблем оптимального управління систем теплопостачання. Ці питання розглядались у роботах Богуна В.А., Левіна В.К., Литвінчьовой Н.О., Редько О.Ф., Соколова Є.Я., Стоянова Ф.А. Юфа Ф.І. та ін. Під час відбору та критичного аналізу цих робіт було сформовано склад завдань, які необхідно розв’язати для розкриття теми дисертації, та проведено їх попередню математичну постановку.
На першому етапі розглядається загальна оптимізаційна задача управління виробництвом та відпуском теплоти у ОС, схема якої надана на рисунку 1. Це є задача центрального регулювання, яке передбачає незмінні розходи теплоносія (G1р та G2р) на вході у опалювальні райони (ОР) та дозволяє їх зміну у інших елементах ОС. Поточне сумарне Рисунок 1 - Схема ОС навантаження на усі опалювальні котельні (ОК) (Q, МВт) залежить від їх кількості i = (у подальшому прийнято n=3),від кількості працюючих котлів mi = на кожній і-й котельній та від кількості розпалених пальників ji,mi =  у кожному mi- му котлі і-ої котельної. Тут ri та кi,mi - загальна чисельність котлів у і-й котельній та загальна кількість пальників у mi- му котлі і- ої котельної.
Саме ці величини (і, mi та ji,mi) і є параметрами управління у загальній оптимізаційній задачі раціонального управління групою опалювальних котельних. До параметрів управління слід також віднести величини yz, z= , які визначають гідравлічний стан системи та витрати, пов’язані з ним (тут р- загальна кількість елементів управління гідравлічним станом).
За цільову функцію у цій задачі прийнято сумарну ціну втрат енергії у ОС за одиницю часу S, гривень/с. Тут S=  /ΔΔττ, де ΔΔττ - деякий період регулювання, тривалість якого встановлюється теплоакумулюючою спроможністю приміщень, що опалюються, та характером наявного прогнозу температури навколишнього повітря, а  , гривень - ціна втрат енергії за цей період. Під час цього періоду оптимальні значення і, mi, ji,mi та yz залишаються незмінними. Вони змінюються та корегуються на початку наступного періоду ΔΔττ.
Тоді формальна постановка загальної оптимізаційної задачі управління ОС може бути сформульована наступним чином. Необхідно для заданого загального навантаження знайти такі величини параметрів управління і, mi, ji,mi та yz, які забезпечать мінімум цільової функції S= S(і, mi, ji,mi, yz) за умов виконання обмежень, що гарантуватимуть дотримання основних фізичних законів функціонування ОС та її надійність.
Реалізація загальної оптимізаційної задачі з одночасним дослідженням всього комплексу зв’язків вимагає багато часу та практично неможлива за умов управління ОС у режимі реального часу. У зв’язку з цим було проведено декомпозицію загальної оптимізаційної задачі управління на низку взаємопов’язаних локальних рівневих задач.
Під час розв’язання задачі першого рівня встановлюється кількість теплоти  , МДж, яку необхідно підвести до опалювальних районів за період ΔΔττ, щоб забезпечити комфортний стан у споживачів теплоти у цих районах. Основні початкові дані у цій задачі: ΔΔττ; ττо - початок періоду регулювання ΔΔττ; Q1к,от=Q1к,от(tнв), Q2к,от =Q2к,от(tнв), МВт- залежності комфортного опалювального навантаження на райони № 1 та № 2 від температури навколишнього повітря; tнв= tнв(ττ), С°°- прогноз погоди на період часу [ττо, ττо +ΔΔττ]; Q1к,гв(ττ), Q2к,гв(ττ), МВт- добові графіки гарячого водопостачання для районів № 1 та № 2. Усі залежності задані, як правило, у табличному вигляді та апроксимуються поліномом другого ступеня або кубічним сплайном зі згладжуванням. Тоді кількість теплоти  , МДж, яку необхідно підвести до теплового району № 1, щоб забезпечити комфортні умови за період ΔΔττ, визначається:
 = +  , (1)
а якщо прийняти до уваги, що tнв= tнв(ττ), то
 = +  . (2)
Аналогічно встановлюється величина  , а потім визначається  = +  .
Щоб забезпечити комфортні умови у районах № 1 та № 2, необхідно, щоб поточна сумарна потужність опалювальних котелень № 1, № 2 та № 3 (Q = , i = ) на протязі періоду ΔΔττ становила б Q =  /ΔΔττ = ( +  )/ΔΔττ.
На другому рівні розв’язується задача оптимального управління окремими котельними № 1, № 2 та № 3. У результаті її розв’язання для різних величин навантажень на кожну i- ту котельну знаходимо оптимальну кількість працюючих котлів miопт, оптимальні навантаження на ці працюючі котли Qm,iопт та мінімальні величини сумарних втрат енергії на і- тій котельній у ціновій формі Нi, гривень/с, що відповідають отриманому оптимальному рішенню (і = ). Ця інформація є початковою для розв’язання задачі третього рівня, де вона використовується у вигляді залежностей Hi,min= Hi,min (Qi).
На третьому рівні розв’язується задача вибору величин
Qi, МВт та Gi, кг/с, і = , що забезпечують мінімум сумарних втрат енергії у системі S за умов дотримання заданої величини Q (дивись задачу першого рівня) та обмежень, які гарантуватимуть виконання основних фізичних законів функціонування ОС.
На четвертому рівні розв’язується задача вибору параметрів управління yz, z= , що забезпечуватимуть максимальне набли-ження дійсних значень G1, G2 та G3 до оптимальних, що були отримані після розв’язання задачі третього рівня (G1опт, G2опт та G3опт). Необхідність розв’язання цієї задачі визначається тим, що оптимальні значення рівня G1опт, G2опт та G3опт можуть знаходи-тися поза межами реально припустимих величин G1д, G2д та G3д.
Далі реалізується повторна ітерація задачі третього рівня з зафіксованими величинами G1=G1д,опт, G2=G2д,опт та G3=G3д,опт, максимально наближеними до оптимальних G1опт, G2опт та G3опт. Після розв’язання цієї задачі отримуємо Qi = Qiд,опт, і = .
І, наприкінці, на п’ятому рівні для кожного mі- го котла і-ої котельної розв’язується задача про вибір оптимальної кількості розпалених пальників ji,mi, що забезпечить дотримання отриманих вище оптимальних значень Qiд,опт, і = та відповідних їм Qmi,опт.
Для розв’язання оптимізаційної задачі третього рівня в першу чергу необхідно розробити алгоритм обчислення цільової функції S, який дозволить встановити S у максимально стислий термін. Це є єдиний шлях зробити розв’язання задачі оптимального управління доступним у режимі реального часу.
У другій главі проводиться великий чисельний експеримент, на базі результатів якого складається цільова функція S, якій притаманні описані вище якості.
Для обчислення S використовується співвідношення
S =  +  , g =  , (3)
де Hтр g - , гривень/(с⋅⋅м) - втрати на транспорт теплоносія на одному метрі g- ої дільниці теплотраси у ціновій формі;
lg, м- довжина g- ої дільниці теплотраси;
Gg, кг/с та t1,g, С°°- розхід і температура теплоносія у g-ій дільниці теплотраси;
d- кількість дільниць теплотраси.
Для встановлення першої групи компонент Himin(Qi), і = , з яких складається цільова функція S (дивись формулу (3)), використовується наступний підхід. Розглянемо котельну № 1 як приклад.
Необхідно за умов заданого теплового навантаження на котельну Q1, МВт знайти теплове навантаження на кожний окремий m1 -й котлоагрегат, яке забезпечить мінімум Н1. Математична постановка цієї задачі виглядає наступним чином [2].
Знайти
min H1(Q1). (4)
Q1 ∈∈ ΩΩ
де область ΩΩ визначається співвідношенням Q1 =  .
Величина Н1 для заданого навантаження Q1 може бути обчислена наступним чином.
Н1 =  , (5)
де  - ціна втрат під час виробництва 1 МДж теплової енергії у m1- му котлі котельної № 1.
Основні початкові дані, необхідні для обчислення  : залежності втрат з вихідними газами та на дуттьові вентилятори від теплового навантаження на m1-й котел та величини гідравлічного опору кожного m1- го котла. Як приклад, розглянемо котельну № 1, що складається з 3 котлів (r1 = 3), де першим двом котлам притаманні більш високі економічні характеристики (котли А), а третьому - більш низькі (котел В). Також необхідно знати ціни на електричну та теплову енергію. За відомих основних початкових даних можна обчислити  для низки значень Q1,m1 та побудувати залежність  (Q1,m1), а далі апроксимувати її поліномом другого ступеня.
Тоді для котлів А
 = 0,032 - 4,16⋅⋅ ⋅⋅Q1,1 + 1,5⋅⋅ ⋅⋅ , (6)
для котла В
 = 0,05035 - 2,42⋅⋅ ⋅⋅Q1,3 + 3,7⋅⋅ ⋅⋅ , (7)
а цільова функція Н1 матиме вигляд (дивись (5, 6 та 7))
Н1 = Q1,1⋅⋅ (Q1,1)+Q1,2⋅⋅ (Q1,2)+Q1,3⋅⋅ (Q1,3) (8)
Задача пошуку мінімуму Н1 розв’язувалась методом НМП з використанням стандартного обчислювального комплексу, адаптованого до конкретної топології області пошуку. Для Q1 = 200 МВт та r1 = 3 отримані наступні результати:
Q1,1опт = Q1,2опт = 76,6 МВт, Q1,3опт = 46,8 МВт, Н1,min = 0,0796 гривень/с. Звичайно, більш низьке оптимальне теплове навантаження припадає на котел з більш низькими економічними характеристиками.
Аналогічні розрахунки було проведено для різних величин Q1 у діапазоні 33 ÷÷ 330 МВт з шагом ΔΔQ1= 30 МВт. Апроксимація отриманих результатів дозволяє описати аналітичну залежність
Н1min =H1min(Q1), (9)
та аналогічно Н2min =H2min(Q2), Н3min =H3min(Q3).
Наступним етапом оцінки цільової функції (дивись формулу (3)) є розробка апроксимаційноїзалежності Нтр,g(Gg,t1g), де g =  [1]. За заданих конфігурації теплотраси, температури навколишнього повітря tнв, температурних графіків опалювальних районів t2 =t2(tнв); фізичних характеристик матеріалів, використаних під час будівництва траси; ККД насосних установок; ціни електричної та теплової енергії втрати Нтр g залежать тільки від t1, g та Gg - температури та розходу теплоносія у трубопроводі та розраховуються за допомогою стандартного алгоритму.
Для прискорення процесу оцінки цільової функції S (3) необхідно встановити величину Нтр,g для різних комбінацій величин t1,g та Gg (за умов зафіксованих у першому наближенні t2). Результати розрахунків наведені у таблиці 1 та апроксимовані поліномом другого порядку [1]
Нтр,g = Нтр,g(Gg,t1,g). (10)
Залежність Нтр,g(Gg,t1,g) надана на рисунку 2. Тут також наведені величини теплового навантаження на теплопровід - Qтр, МВт. Аналіз цих залежностей дозволяє зробити висновок, що за заданого навантаження транспортування теплоносія більш ефективно зі зниженими величинами розходів Gg та підвищеною температурою t1,g.
Треба підкреслити, що під час розробки математичної моделі функціонування достатньо зношених трубопроводів теоретична оцінка Нтр,g може виявитися неадекватною реальному стану технічної системи. У цьому випадку до чарунок таблиці 1 треба заносити відповідні експериментальні дані.
Встановивши компоненти цільової функції S можна перейти до розв’язання задачі третього рівня.
У третій главі розглядається розв’язання оптимізаційної задачі третього рівня. Основні початкові дані:
- Q1к, Q2к, МВт- теплове навантаження на районі № 1 та № 2, що було встановлено після розв’язання задачі першого рівня;
Рисунок 2 - Залежності Рисунок 4 - Залежності
Qтрg, МВт та Нтрg, втрат S, гр./с від l, м:
(гр./(с⋅⋅м)) від t1g та Gg 1 - Q1, G2, G3 = var;
2 - Q1, G2, G3 = const;
Рисунок 3 - Залежності Smin, Q1опт, Q2опт, Q3опт від Q:
---------- - з обмеженням Q1 < 320 МВт;
-- ⋅⋅ -- ⋅⋅ -- - без обмеження
| 
